Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodika elektrolizom krutih oksida
Elektrolizer na čvrsti oksid (SOE) koristi visokotemperaturnu vodenu paru (600 ~ 900°C) za elektrolizu, što je učinkovitije od alkalnog elektrolizera i PEM elektrolizera. U 1960-ima, Sjedinjene Američke Države i Njemačka započele su istraživanje visokotemperaturnog SOE na vodenoj pari. Princip rada SOE elektrolizera prikazan je na slici 4. Reciklirani vodik i vodena para ulaze u reakcijski sustav s anode. Vodena para se elektrolizira u vodik na katodi. O2 koji proizvodi katoda kreće se kroz čvrsti elektrolit do anode, gdje se rekombinira u kisik i oslobađa elektrone.
Za razliku od alkalnih i elektrolitskih ćelija s membranom za protonsku izmjenu, SOE elektroda reagira s kontaktom vodene pare i suočava se s izazovom maksimiziranja površine spoja između elektrode i kontakta vodene pare. Stoga, SOE elektroda općenito ima poroznu strukturu. Svrha elektrolize vodene pare je smanjenje energetskog intenziteta i smanjenje operativnih troškova konvencionalne elektrolize tekuće vode. Zapravo, iako se ukupna potrebna energija za reakciju razgradnje vode neznatno povećava s porastom temperature, potreba za električnom energijom značajno se smanjuje. Kako se temperatura elektrolize povećava, dio potrebne energije isporučuje se kao toplina. SOE je sposoban proizvoditi vodik u prisutnosti izvora topline visoke temperature. Budući da se visokotemperaturni plinom hlađeni nuklearni reaktori mogu zagrijati na 950°C, nuklearna energija može se koristiti kao izvor energije za SOE. Istovremeno, istraživanje pokazuje da obnovljiva energija poput geotermalne energije također ima potencijal kao izvor topline za parnu elektrolizu. Rad na visokoj temperaturi može smanjiti napon baterije i povećati brzinu reakcije, ali se također suočava s izazovom toplinske stabilnosti materijala i brtvljenja. Osim toga, plin koji proizvodi katoda je smjesa vodika, koju je potrebno dodatno odvojiti i pročistiti, što povećava troškove u usporedbi s konvencionalnom elektrolizom tekuće vode. Upotreba keramike koja provodi protone, poput stroncijevog cirkonata, smanjuje troškove SOE. Stroncijev cirkonat pokazuje izvrsnu protonsku vodljivost na oko 700 °C i pogodan je za katodu za proizvodnju vodika visoke čistoće, pojednostavljujući uređaj za elektrolizu parom.
Yan i suradnici [6] izvijestili su da je cirkonijeva keramička cijev stabilizirana kalcijevim oksidom korištena kao SOE nosive strukture, vanjska površina je obložena tankim (manje od 0,25 mm) poroznim lantanovim perovskitom kao anodom i Ni/Y2O3 stabilnim kalcijevim oksidnim cermetom kao katodom. Pri 1000 °C, 0,4 A/cm2 i ulaznoj snazi od 39,3 W, kapacitet proizvodnje vodika jedinice je 17,6 NL/h. Nedostatak SOE je prenapon koji nastaje zbog visokih gubitaka otpora koji su uobičajeni na međuspojevima između ćelija, te visoka koncentracija prenapona zbog ograničenja transporta difuzijom pare. Posljednjih godina, planarne elektrolitičke ćelije privukle su veliku pozornost [7-8]. Za razliku od cjevastih ćelija, ravne ćelije čine proizvodnju kompaktnijom i poboljšavaju učinkovitost proizvodnje vodika [6]. Trenutno je glavna prepreka industrijskoj primjeni SOE dugoročna stabilnost elektrolitičke ćelije [8], a mogu nastati i problemi starenja i deaktivacije elektrode.
Vrijeme objave: 06. veljače 2023.